网络驱动移植之解析Linux网络驱动的基本框架

  内核源码：Linux-2.6.38.8.tar.bz2

    概括而言，编写Linux网络驱动其实只要完成两件事即可，一是分配并初始化网络设备，二是注册网络设备。

    1、分配并初始化网络设备

    动态分配网络设备（从C语言角度来看，其实就是定义了一个struct net_device结构体变量，并对这个结构体变量的某些成员进行了初始化而已）及其私有数据的大致过程如下图（以以太网设备为例）：

 

    下面将结合linux-2.6.38.8中的代码详细分析网络设备的分配和初始化过程。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/etherdevice.h */
#define alloc_etherdev(sizeof_priv) alloc_etherdev_mq(sizeof_priv, 1)
#define alloc_etherdev_mq(sizeof_priv, count) alloc_etherdev_mqs(sizeof_priv, count, count)

/* linux-2.6.38.8/net/ethernet/eth.c */
struct net_device *alloc_etherdev_mqs(int sizeof_priv, unsigned int txqs,
                      unsigned int rxqs)
{
    return alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, "eth%d", ether_setup, txqs, rxqs);
}

void ether_setup(struct net_device *dev)
{
    dev->header_ops      = &eth_header_ops;
    dev->type        = ARPHRD_ETHER;
    dev->hard_header_len     = ETH_HLEN;
    dev->mtu     = ETH_DATA_LEN;
    dev->addr_len        = ETH_ALEN;
    dev->tx_queue_len    = 1000; /* Ethernet wants good queues */
    dev->flags       = IFF_BROADCAST|IFF_MULTICAST;

    memset(dev->broadcast, 0xFF, ETH_ALEN);

}

    以前各类网络设备的分配函数（如以太网设备的alloc_etherdev）都只是alloc_netdev函数的封装而已，但对于linux-2.6.38.8而言已经不是这样了。 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/netdevice.h */
#define alloc_netdev(sizeof_priv, name, setup)
    alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, name, setup, 1, 1)

    alloc_netdev_mqs函数的五个参数分别为私有数据大小、设备名称、默认初始化函数、发送队列数目和接收队列数目。

    以太网设备的名称设为eth%d，默认初始化函数设为ether_setup，发送和接收队列数目都设为1。

    函数alloc_netdev_mqs定义在linux-2.6.38.8/net/core/dev.c文件中，大概会完成以下各种操作：

    （1）、为struct net_device和私有数据分配内存空间 

alloc_size = sizeof(struct net_device);
if (sizeof_priv) {
    alloc_size = ALIGN(alloc_size, NETDEV_ALIGN);  //#define NETDEV_ALIGN 32
    alloc_size += sizeof_priv;
}
alloc_size += NETDEV_ALIGN - 1;

p = kzalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);
if (!p) {
    printk(KERN_ERR "alloc_netdev: Unable to allocate device.
");
    return NULL;
}

dev = PTR_ALIGN(p, NETDEV_ALIGN);
dev->padded = (char *)dev - (char *)p;

    对齐操作相关宏： 

/* linux-2.6.38.8/include/linux/kernel.h */
#define ALIGN(x, a)     __ALIGN_KERNEL((x), (a))
#define __ALIGN_KERNEL(x, a)        __ALIGN_KERNEL_MASK(x, (typeof(x))(a) - 1)
#define __ALIGN_KERNEL_MASK(x, mask)    (((x) + (mask)) & ~(mask))

#define PTR_ALIGN(p, a)     ((typeof(p))ALIGN((unsigned long)(p), (a)))

    （2）、动态分配per-CPU变量 

dev->pcpu_refcnt = alloc_percpu(int);
if (!dev->pcpu_refcnt)
    goto free_p;

    （3）、初始化硬件地址链表dev->dev_addrs，并把首元素赋给dev->dev_addr 

if (dev_addr_init(dev))
    goto free_pcpu;

    （4）、初始化组播和单播地址链表 

dev_mc_init(dev);
dev_uc_init(dev);

    （5）、设置网络命名空间 

dev_net_set(dev, &init_net);

    （6）、设置GSO最大值 

dev->gso_max_size = GSO_MAX_SIZE;

    （7）、初始化各种链表 

INIT_LIST_HEAD(&dev->ethtool_ntuple_list.list);
dev->ethtool_ntuple_list.count = 0;
INIT_LIST_HEAD(&dev->napi_list);
INIT_LIST_HEAD(&dev->unreg_list);
INIT_LIST_HEAD(&dev->link_watch_list);

    （8）、设置priv_flags值 

dev->priv_flags = IFF_XMIT_DST_RELEASE;

    （9）、执行默认初始化函数（以太网设备默认为ether_setup） 

setup(dev);

    （10）、初始化数据包发送队列 

dev->num_tx_queues = txqs;
dev->real_num_tx_queues = txqs;
if (netif_alloc_netdev_queues(dev))
    goto free_all;

    （11）、初始化数据包接收队列 

dev->num_rx_queues = rxqs;
dev->real_num_rx_queues = rxqs;
if (netif_alloc_rx_queues(dev))
    goto free_all;

    （12）、设置网络设备名称 

strcpy(dev->name, name);

    2、注册网络设备

    通过register_netdev函数把已完成部分初始化的net_device结构体变量（即某个网络设备实例）注册到Linux内核中，大致过程如下图：

 

    下面将结合linux-2.6.38.8中的代码详细分析网络设备的注册过程。

    （1）、获得rtnl信号量 

rtnl_lock();

    （2）、分配网络设备名（即%d对应的数字） 

if (strchr(dev->name, '%')) {
    err = dev_alloc_name(dev, dev->name);
    if (err < 0)
        goto out;
}

    （3）、调用实际注册函数 

err = register_netdevice(dev);

    3.1、初始化dev->addr_list_lock自旋锁并根据dev->type设置其类别 

spin_lock_init(&dev->addr_list_lock);
netdev_set_addr_lockdep_class(dev);

    3.2、调用init函数 

if (dev->netdev_ops->ndo_init) {
    ret = dev->netdev_ops->ndo_init(dev);
    if (ret) {
        if (ret > 0)
            ret = -EIO;
        goto out;
    }
}

    3.3、检测网络设备名是否有效 

ret = dev_get_valid_name(dev, dev->name, 0);
if (ret)
    goto err_uninit;

    3.4、为网络设备分配唯一的索引号 

dev->ifindex = dev_new_index(net);
if (dev->iflink == -1)
    dev->iflink = dev->ifindex;

    3.5、设置网络设备特性（dev->features） 

if ((dev->features & NETIF_F_HW_CSUM) &&
    (dev->features & (NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
    printk(KERN_NOTICE "%s: mixed HW and IP checksum settings.
",
           dev->name);
    dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM);
}

if ((dev->features & NETIF_F_NO_CSUM) &&
    (dev->features & (NETIF_F_HW_CSUM|NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
    printk(KERN_NOTICE "%s: mixed no checksumming and other settings.
",
           dev->name);
    dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM|NETIF_F_HW_CSUM);
}

dev->features = netdev_fix_features(dev->features, dev->name);


if (dev->features & NETIF_F_SG)
    dev->features |= NETIF_F_GSO;


dev->vlan_features |= (NETIF_F_GRO | NETIF_F_HIGHDMA);

    3.6、通过通知链告知内核其他子系统某种事件的发生（如注册网络设备） 

ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_POST_INIT, dev);
ret = notifier_to_errno(ret);
if (ret)
    goto err_uninit;

ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_REGISTER, dev);
ret = notifier_to_errno(ret);
if (ret) {
    rollback_registered(dev);
    dev->reg_state = NETREG_UNREGISTERED;
}

    3.7、创建网络设备在sysfs文件系统中的入口 

ret = netdev_register_kobject(dev);
if (ret)
    goto err_uninit;

    3.8、设置网络设备为已注册状态 

dev->reg_state = NETREG_REGISTERED;

    3.9、设置网络设备状态为可用 

set_bit(__LINK_STATE_PRESENT, &dev->state);

    3.10、初始化网络设备的队列规则 

dev_init_scheduler(dev);

    3.11、增加网络设备的引用计数 

dev_hold(dev);

    3.12、加入到设备链表（如dev->dev_list、dev->name_hlist、dev->index_hlist） 

list_netdevice(dev);

    3.13、发送netlink（RFC 3549协议）信息

if (!dev->rtnl_link_ops ||
    dev->rtnl_link_state == RTNL_LINK_INITIALIZED)
    rtmsg_ifinfo(RTM_NEWLINK, dev, ~0U);